Chimie
La chimie est la science qui étudie les formes et les propriétés de la matière. La chimie étudie comment les particules microscopiques de la matière, les atomes, peuvent donner des édifices immenses par rapport à leur taille comme un corps humain, un arbre, une pierre, du métal, du plastique, etc.
En fait la chimie étudie principalement comment ces atomes se lient entre eux, pour donner des molécules, et pourquoi certaines liaisons sont possibles et d'autres pas. C'est la chimie qui étudie aussi les réactions entre les composés au cours d'une phase que l'on appelle la réaction chimique.
Aujourd'hui, la chimie est une science importante, comme d'autres, pour l'avenir. Il va en effet devenir nécessaire de réduire la consommation de pétrole et plusieurs voies existent, en utilisant d'autres sources d'énergies ou en trouvant d'autres matériaux.
La compréhension des phénomènes chimiques est relativement récente (XIXe siècle). Ceci vient du fait que les atomes qui constituent la matière ne sont pas visibles au microscope et encore moins à l'œil nu. Pour découvrir les phénomènes chimiques et les démontrer, il a fallu être capable de détecter ses propriétés électriques et magnétiques. Auparavant, les résultats n'étaient basés que sur l'expérimentation. On appelle ce type de résultat des résultats empiriques.
Les différents types de chimieModifier
- La chimie minérale ou inorganique: l'étude des molécules non-constituées d'atomes d'hydrocarbures (c'est à dire des carbone liés à un ou des hydrogènes);
- La chimie organique: l'étude des molécules organiques, composées d'atomes de carbone auquel sont rattachés d'autres atomes notamment l'hydrogène;
- La biochimie: l'étude de la chimie dans le corps humain (application de la chimie organique à la biologie);
- La chimie des matériaux (exemple: problème de la corrosion);
- La chimie analytique: consiste à utiliser des méthodes et techniques pour analyser la matière (exemple: la chromatographie en est un bel exemple bien connu);
- La chimie physique: étude des phénomènes physique liés aux problèmes chimiques (exemple: thermochimie, électrochimie);
- La chimie théorique: exclusivement théorique, elle s'étudie à l'aide d'outils physiques ou mathématiques (exemple: la chimie orbitalaire est exclusivement théorique).
Les états de la matièreModifier
L a matière peut changer d'état : selon la température et la pression, elle peut être solide, liquide ou gazeuse.
À très basse température (proche du zéro absolu), la matière n'existe qu'à l'état solide. Au contraire, à partir de quelques milliers de degrés, la matière n'existe qu'à l'état gazeux. Entre les deux, il y a l'état liquide qui n'est possible que si la pression des gaz autour de cette matière est suffisante.
Métaux et non-métauxModifier
Il existe deux grandes catégories d'atome, les métaux et les non métaux.
Les métauxModifier
La plupart des atomes répertoriés dans le tableau périodique des éléments sont des atomes d'un métal. Les métaux sont situés dans la partie gauche et la partie centrale de ce tableau.
Les atomes des métaux s'empilent avec des formes régulières (ils sont bien en rang) et les électrons des couches externes peuvent passer d'un atome à l'autre. On dit qu'il y a des électrons libres. C'est pourquoi le courant électrique peut facilement le traverser les métaux.
Les non-métauxModifier
À l'inverse, du côté droit du tableau périodique des éléments, il existe des atomes qui n'ont pas d'électrons libres. Ce sont les non-métaux. Ils se comportent comme des isolants électriques. Ils peuvent être des éléments organiques comme le carbone ou l'oxygène mais aussi des éléments appelés "gaz nobles" comme l'hélium ou le néon.
Le tableau périodique des éléments comporte plus de métaux que de non-métaux, mais les atomes de non-métaux se trouvent en beaucoup plus grande quantité sur Terre.
Molécules et ionsModifier
Les moléculesModifier
Beaucoup de sortes d'atomes, se regroupent entre eux pour former des molécules. Cela peut être deux atomes de la même matière ou des atomes de plusieurs matières différentes.
Quand ces atomes sont entre eux, ils mettent, avec un ou plusieurs voisins (jusqu'à 4 au maximum), des électrons en commun. Ils restent alors bien côte à côte pour se les partager. On dit qu'ils sont liés par une liaison covalente.
Les ionsModifier
Normalement, un atome a autant de charges positives que de charges négatives. Quand un atome perd ou gagne des électrons, il devient un ion.
S'il a perdu des électrons, il s'appelle un anion (il est chargé positivement). Au contraire, s'il en a gagné, on l'appelle un cation (il est chargé négativement).
En physique, on constate que des morceaux de matières qui sont chargés et dont les charges sont de signes différents s'attirent par des forces électriques (force de Coulomb) que l'on sait d'ailleurs calculer.
Les réactions chimiquesModifier
Lorsque des molécules de deux matières différentes se rencontrent, elle peuvent dans certaines conditions, changer d'arrangement. C'est à dire que certains atomes de la première molécule s'en séparent pour aller se lier à des atomes de l'autre molécule, et réciproquement.
Par exemple, étudions ce qui se passe dans la réaction chimique suivante :
Explication :
Au départ on a :
- une molécule de méthane composée d'un atome de carbone entouré de 4 atomes d'hydrogène,
- deux molécules de dioxygène (pour chaque molécule, deux atomes d'oxygène liés entre eux).
On fait brûler le méthane et on obtient
- une molécule de gaz carbonique composée d'un atome de carbone auquel sont reliés deux atomes d'oxygène,
- 2 molécules d'eau composées chacune d'un atome d'oxygène auquel sont reliés deux atomes d'hydrogène. L'eau produite est sous forme de vapeur vu la température.
En résumé, au départ, on avait deux matières différentes, après la réaction chimique, on a aussi 2 matières différentes, mais ce sont les mêmes atomes qu'au départ. On a donc les mêmes éléments au début et à la fin mais arrangés et liées de manière différente.
Certaines réaction chimiques libèrent de l'énergie lorsqu'elles se produisent (c'est le cas de toutes les combustions). On dit qu'elles sont exothermiques (elles produisent de la chaleur).
D'autres réactions chimiques consomment de l'énergie pour pouvoir se produire. On dit qu'elles sont endothermiques.
La chimie répond à la question pourquoi certaines réactions chimiques sont possibles et d'autres pas. Par exemple, si on met de l'acide sur du cuivre, il ne se passe rien, alors que de l'acide mis sur certains autres métaux les ronge.
Propriété chimiques des atomes en fonction de leur nombre d'électronsModifier
Les différentes sorte d'atomes qui existent se distinguent par le nombre de protons présents dans le noyau atomique. L'atome le plus simple est celui d'hydrogène avec un seul proton et celui qui a le plus de protons (92) parmi les atomes qu'on peut trouver à l'état naturel est l'uranium.
Toutefois, la chimie concerne les électrons qui tournent autour du noyau de l'atome. En l'absence de charge électrique d'un bloc de matière, il y a autant d'électrons autour du noyau que de protons dans le noyau.
Cependant, les électrons ne tournent pas autour du noyau n'importe comment. Ils sont organisés en couches et en sous-couches et chaque couche ou sous-couche peut contenir un nombre bien précis d'électrons.
- couche 1 : 2 électrons
- couche 2 : 8 électrons
- couche 3 : 8 électrons
- couche 4 : couche principale de 8 électrons + une sous-couche de 10 électrons
- couche 5 : couche principale de 8 électrons + une sous-couche de 10 électrons
- couche 6 : couche principale de 8 électrons + une sous-couche de 14 puis une autre sous-couche de 10
- couche 7 : couche principale de 8 électrons + une sous-couche de 14 puis une autre sous-couche de 10
Si on classe les atomes par numéro atomique croissant, donc par nombre croissant de protons dans le noyau et d'électrons autour du noyau, une nouvelle couche principale d'électrons ne commence à se remplir qu'une fois que la couche principale précédente est complète.
À partir de la couche 4, en plus de la couche principale, il y a une sous-couche qui commence à se remplir une fois que la couche principale en cours de remplissage a déjà 2 électrons. Lorsque cette sous-couche est pleine, la couche principale finit de se remplir avec les 6 électrons qui manquaient pour qu'elle soit complète.
Toute la chimie provient du fait que des atomes mettent en commun avec d'autres atomes un ou plusieurs électrons de leur dernière couche afin d'arriver à ce que cette dernière couche (ou une sous-couche) soit complète. En conséquence, les propriétés chimiques d'un atome dépendent en premier lieu du nombre d'électrons de sa dernière couche.
Les atomes sont classés en catégories selon le nombre d'électrons de leur dernière couche.
Les gaz raresModifier
Ce sont des atomes qui ont exactement le nombre d'électrons nécessaire pour que leur dernière couche d'électrons soit complète. On les appelle gaz rares, gaz nobles ou gaz inertes. Comme ils n'ont pas besoin d'échanger leurs électrons, ils restent sous la forme d'atome isolé. Ce sont les atomes de la colonne la plus à droite du tableau périodique des éléments, c'est-à-dire l'hélium, le néon, l'argon, le krypton, le xénon, le radon et l'organesson. Il faut les refroidir beaucoup pour les transformer en liquides ou en solides.
Les halogènesModifier
Dans le tableau périodique des éléments, ils sont placés juste avant un gaz rare. On y trouve le fluor, le chlore, le brome, l'iode, l'astate et le tennesse. Il leur manque un électron pour que leur dernière couche soit complète. Ces atomes tentent de disposer de l'électron manquant de deux manières.
Une première possibilité est que 2 atomes mettent en commun chacun un de leurs électrons pour former une molécule. Ça peut être 2 atomes du même halogène qui se regroupent. Le fluor, le chlore, le brome et l'iode existent comme ça à l'état naturel. À température ambiante, le fluor et le chlore sont gazeux, le brome est liquide et l'iode est solide. Mais des molécules peuvent aussi se former entre 2 atomes d'halogènes différents.
Comme les halogènes sont des atomes chimiquement très réactifs, il peut aussi se former des molécules qui regroupent en tout 4, 6 ou 8 atomes d'halogènes de deux types différents lorsque le diamètre respectif des 2 types d'atomes le permet. C'est le cas entre le fluor et les autres halogènes et entre le chlore et l'iode.
Des molécules d'au moins 3 atomes peuvent aussi se former entre des atomes d'halogène et des atomes de non-métaux.
Bien qu'elle soit située juste avant un gaz rare (l'hélium) dans le tableau périodique des éléments, l'hydrogène n'est pas classé comme halogène. Malgré tout, 2 atomes d'hydrogène peuvent se regrouper ensemble pour former une molécule. Un atome d'hydrogène peut aussi s'associer avec un atome d'halogène. La molécule obtenue est un acide.
Par contre, si l'acide obtenu est mélangé à de l'eau, les atomes de cette molécule se séparent. L'atome d'halogène récupère l'électron qui manquait à sa couche externe pour qu'elle soit complète. Il a alors un électron de plus qu'il a de protons dans son noyau. C'est devenu un ion, en l'occurrence un cation.
De son coté, l'atome d'hydrogène qui a perdu son électron s'associe avec une molécule d'eau pour former une molécule composée d'un atome d'oxygène et de 3 d'hydrogène mais avec un électron en moins que de protons. Cette molécule a une charge électrique positive. C'est un anion.
Une dernière possibilité est qu'un atome d'halogène récupère un électron d'un atome situé du coté gauche dans la table périodique des éléments. C'est ce qu'on va voir maintenant.
Les métaux alcalinsModifier
Les métaux alcalins sont des atomes qui sont classés dans la colonne la plus à gauche du tableau périodique des éléments. On y trouve le lithium, le sodium, le potassium, le rubidium, le césium et le francium. Ils ont un électron de plus que le gaz rare qui les précède et qui est tout à fait à droite dans la ligne du dessus dans le tableau périodique. Cet électron en plus est donc le seul de la dernière couche.
Les métaux alcalins sont des métaux mous qui sont faciles à couper en morceaux et qui fondent à des températures peu élevées (de 26,85 °C pour le frankium à 180,54 °C pour le lithium). Ils cherchent à tout prix à mettre en commun leur dernier électron avec un autre atome. Ils sont donc chimiquement très réactifs. Au contact avec l'air, ils s'oxydent rapidement et si on veut conserver leur aspect de métal brillant, il faut les mettre à l'abri de l'air dans un liquide qui n'agira pas sur eux comme l'huile de paraffine.
La réaction chimique d'un métal alcalin avec de l'eau est une réaction très intense. Au contact avec l'eau, le sodium s'enflamme spontanément et de l'eau sur un métal alcalin peut provoquer une explosion.
Un métal alcalin en contact avec de l'eau perd son dernier électron pour devenir un ion chargé positivement (anion). Cet électron est récupéré par une molécule d'eau qui se sépare en deux :
- d'un coté un atome d'hydrogène et un atome d'oxygène. avec l'électron récupéré, c'est un ion chargé négativement (cation),
- de l'autre un atome d'hydrogène isolé qui se combinera avec un autre atome d'hydrogène isolé pour former une molécule composée de 2 atomes d'hydrogène.
Le résultat de cette réaction chimique est une base.
Les métaux alcalins peuvent aussi fournir un électron à un atome d'halogène. L'atome du métal alcalin devient un anion tandis que l'halogène devient un cation et l'ensemble des deux forme un sel. En particulier, le chlorure de sodium qui n'est autre que le sel que l'un trouve dans l'eau de mer est constitué d'ions de sodium et de chlore.
Les métaux alcalino-terreuxModifier
Les métaux alcalino-terreux arrivent en deuxième colonne du tableau périodique des éléments. On y trouve le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum et le radium. Ils ont deux électrons sur leur dernière couche.
Eux aussi peuvent former des ions en perdant ces deux électrons, mais aussi former des molécules avec l'oxygène. dans ce cas, le métal est oxydé.
Les réactions chimiques avec des métaux alcalino-terreux sont moins violentes qu'avec des métaux alcalins.
Les métaux de transitionModifier
Les métaux les plus connus font partie des métaux de transition. Leurs atomes ont la dernière couche principale avec deux électrons comme les métaux alcalino-terreux, mais ils ont aussi une sous-couche partiellement remplie avec 1 à 9 électrons pour un nombre maximum de 10.
Ce sont des métaux durs qu'on peut utiliser pour faire des objets solides. À part l'argent qui fond à 962 °C, tous les autres métaux de transition fondent à plus de 1 000 °C, le record est atteint par la Tungstène qui ne fond qu'à 3 422 °C. Pour cette raison, ce métal était employées pour les filaments des lampes à incandescences.
Les métaux de transition peuvent exister tels quels, être mélangés à d'autres métaux pour former des alliages, mais beaucoup aussi peuvent se combiner avec des atome d'oxygène, ce qui produit une oxydation.
Les lanthanidesModifier
À partir de la 6e couche principale d'électrons, c'est à dire pour les atomes dont le numéro atomique dépasse 54, une sous-couche de 14 électrons se remplit avant la sous-couche de 10 électrons des métaux de transitions.
Après le baryum qui est un métal alcalino-terreux, on trouve le lanthane de numéro atomique 57 suivi de 14 autres atomes, le dernier étant le lutécium de numéro atomique 71. Ils ont des propriétés chimiques similaires. En particulier, leur réactivité avec les atomes situés du coté droit du tableau périodique, notamment avec les halogènes est intermédiaire entre celle des métaux alcalino-terreux et celles des métaux de transition.
Les actinidesModifier
De la même manière après le radium qui est le métal alcalino-terreux dont la 7e couche principale comporte 2 électrons, il y a l'actinium de numéro atomique 89 jusqu'au lawrencium de numéro atomique 103 qui ont des propriétés chimiques voisines.
Cependant, comme tous les atomes au delà du numéro atomique 83 sont radioactifs, ils sont rares. Seuls le thorium (N° 90) et l'uranium (N° 92) peuvent être trouvés à l'état naturel et à partir du numéro atomique 95 (américium) la seule matière d'obtenir un atome est de le synthétiser à partir de collisions d'autres noyaux d'atomes. De ce fait, les propriétés chimiques des actinides (tout comme des atomes qui suivent à partir du numéro atomique 104) sont très peu connues.
Métaux pauvres et métalloïdes Modifier
Jusqu'à présent, on a parlé des propriétés des atomes en fonction de leur position en colonnes dans le tableau périodique des éléments. Mais du coté droit de ce tableau, la répartition entre métaux pauvres, métalloïdes et non-métaux se fait en diagonale. Selon la ligne du tableau périodique, le nombre d'éléments dans chacune des ces 3 catégories n'est pas le même.
| Ligne | Métaux pauvres | Métalloïdes | Non-métaux | Halogène | Gaz rare |
| 2 | 0 | 1 | 3 | 1 | 1 |
| 3 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 |
| 4 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 |
| 5 | 5 | 1 | 1 | ||
Pour la ligne 5, l'astate qui est dans la colonne des halogènes est aussi classé comme métalloïde.
Les métaux pauvres sont pour certains des métaux mous faciles à déformer comme le plomb ou l'étain, ou alors des métaux plus durs mais facilement cassants comme l'aluminium. Le zinc fait aussi partie des métaux pauvres les plus connus.
Ils fondent à des températures plus basses que les métaux de transition. Le record est détenu par le mercure qui est déjà liquide à −38 °C. C'est le seul métal qui est liquide à température ambiante mais le gallium fond entre 29 et 30 °C. À l'opposé, c'est l'aluminium qui reste solide le plus longtemps, jusqu'à 660 °C.
Viennent ensuite les métalloïdes : le bore, le silicium, le germanium, l'arsenic, l'antimoine, le tellure (et l'astate comme précisé plus haut). Leurs propriétés chimiques sont intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux.
Les non-métaux Modifier
Enfin, à droite du tableau, chaque ligne se termine par des non-métaux. Parmi eux, on trouve le carbone, l'azote, l'oxygène, le phosphore, le soufre, et le sélénium ainsi que les halogènes et les gaz rares déjà cités.
Comme indiqué plus haut, les gaz rares restent à l'état d'atomes isolé. Les autres non métaux se combinent entre eux pour former des molécules, soit de 2 atomes de la même matière, soit avec des atomes différents.
Les possibilités de regroupement des atomes entre eux dépendent de la colonne du tableau dans laquelle ils sont. Un atome d'halogène ou d'hydrogène ne peut mettre en commun qu'un de ses électrons et donc théoriquement 
ne peut s'associer qu'avec un seul autre atome.
Les atomes auxquels il manque 2 électrons pour que leur dernière couche soit complète (oxygène, soufre, sélénium) peuvent mettre en commun ces 2 électrons ensemble avec un non-métal ou un métalloïde de la même colonne ou avec un atome un peu plus à gauche dans le tableau périodique. Dans ce cas, la liaison entre ces 2 atomes est appelée une liaison double. Mais les atomes de cette colonne peuvent aussi mettre en commun chacun de ces électrons avec un atome différent. Dans ce cas, on aura 2 liaisons simples.
De la même manière, les atomes auxquels il manque 3 électrons pour que leur dernière couche soit complète peuvent s'associer avec 1, 2 ou 3 autres atomes pour former des liaisons simples, double ou triple.
Enfin, chaque atome de carbone (mais ça peut être aussi le cas avec le silicium et le germanium qui sont des métalloïdes) auquel il manque 4 électrons pour que sa dernière couche soit complète peut avoir des liaisons simples, doubles, triples et quadruple avec des atomes voisins. Et comme ces atomes voisins ne sont pas obligés de mettre en commun tous leurs électrons manquants lorsqu'ils en ont plusieurs avec l'atome de carbone, ils peuvent associer certains d'entre eux à d'autres atomes, ça fait un nombre considérable de possibilités pour former des molécules.
Finalement, dans le tableau périodique des éléments, les non-métaux ne sont pas très nombreux mais leurs possibilités pour fabriquer des molécules différentes et donc des matières différentes sont immenses.
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Article mis en lumière la semaine du 30 décembre 2019. |
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